[發明專利]膜曝氣生物膜與生物電化學耦合系統及其應用

有效

• 申請號: 201510957884.4
• 申請日: 2015-12-18
• 公開（公告）號: CN105565494B
• 公開（公告）日: 2019-06-11
• 發明（設計）人: 王榮昌;姚佳斌;周欣逸;李樂雪;王學昊
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: C02F3/30
• 分類號: C02F3/30;C02F3/34;H01M8/16
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 王小榮

本發明涉及膜曝氣生物膜與生物電化學耦合系統及其應用，該系統包括陽極室、陰極室以及設置在陽極室與陰極室之間的分隔膜，還包括設置在陰極室的膜曝氣生物膜、與膜曝氣生物膜連接的外部供氧單元以及將陽極室與陰極室相連通的外接管路，所述的陽極室、陰極室中分別設有生物陽極電極及生物陰極電極，并且所述的生物陽極電極通過外接電路與生物陰極電極電連接，所述的系統用于處理含氮廢水。與現有技術相比，本發明系統結構簡單緊湊，采用無泡曝氣，充氧利用率高，操作過程耗能低，整個系統運行穩定，高效節能，兼具污染物處理和產電功能，具有很好的開發運用前景。

技術領域

本發明屬于污水處理技術與設備技術領域，涉及一種膜曝氣生物膜與生物電化學耦合系統及其應用。

背景技術

傳統的脫氮需要在不同的反應池內進行，硝化反應在好氧池內完成，反硝化作用在缺氧池內完成，其工藝流程長、運行能耗較大、產生的污泥量較大、占地面積大、基建投資高，為達到理想的處理效果有時需要外加有機碳源和堿度。面對當今能源危機和環境污染的問題，傳統的脫氮技術已經難以滿足可持續發展的要求，尋求一種高效節能的脫氮技術十分必要。

微生物燃料電池(MFCs)是一種以微生物為催化劑，將化學能直接轉化為電能的裝置，是一種新的清潔能源生產技術。因為含氮廢水本身含有許多化學污染物，蘊藏大量化學能，所以MFC可以通過陽極產電生物膜降解含氮廢水中有機物獲得持續電能，對廢水中的能源實現有效回收。同時，國內外的相關研究已經證實了MFC的陰極能夠利用如硝酸鹽和亞硝酸鹽等作為生物陰極的電子受體，進行還原反應，能有效地對氮進行去除，這種還原過程在低有機碳源的情況下依舊可以進行。

膜曝氣生物膜反應器(MABR)是一種膜-生物處理組合工藝。在MABR中，曝氣膜組件既提供曝氣又兼做生物膜生長的載體。氣相(曝氣膜內腔)中的氧是通過曝氣膜-生物膜的界面擴散進入生物膜內，而液相(廢水)中的底物是從生物膜-液相界面上進入生物膜。這種氧和底物的異向傳質導致生物膜具有不同活性的功能層化性，好氧微生物，如硝化細菌，富集在生物膜/曝氣膜介面，溶解氧從里往外逐步降低，當供氧條件控制得當時，反應器處于缺氧狀態，生物膜最外層可以生長缺氧微生物，如反硝化菌，這樣的分布利于在MABR的微環境實現同步硝化反硝化。傳統的機械和鼓風曝氣方式屬于泡式供氧，僅5-25％左右，而MABR中曝氣膜組件采用無泡曝氣的方式，氧利用率高且耗能低。此外，MABR還具有揮發性污染物氣提損失小、污泥發生量少以及運行管理方便等特點，是傳物、脫氮等應用時一個引人注目的更新替代工藝。

作為厭氧處理技術之一，采用單一的MFC工藝難以系統進行污染物去除，且去除效率不高，若將MFC與MABR耦合，可有效改善出水水質，在實現高效脫氮的同時，并產生電能，在產電過程中利用電場的存在以及電流對微生物的刺激作用，能夠改變污泥性質，有效延緩膜污染。

運用微生物燃料電池和硝化反硝化相耦合的相關技術已有報道。

例如，申請公布號為CN 103117405 A的中國專利公開了一種多功能反硝化微生物燃料電池，主要由陽極室、陰極室、膜組件和外電路系統組成，通過在陽極室中接種反硝化污泥，引入有機含氮廢水作為燃料，陰極室引入氧化劑作為電子受體，反硝化菌降解有機含氮廢水并釋放電子，釋放的電子被陰極室電子受體接收而產生電；所述的陽極液為含有有機物、硝酸鹽氮或亞硝酸鹽氮的廢水，pH為6.5～7.8，陰極液為高錳酸鹽、重鉻酸鉀、過硫酸鹽、鐵氰化物、過氧化氫或溶解氧與磷酸鹽緩沖劑的混合溶液，pH為6.5～7.8。上述專利的技術方案雖能對含氮廢水取得比較好的處理效果，但整個裝置只具有反硝化作用，并不能實現完整的生物硝化反硝化過程，所以除氮效果受到抑制，處理廢水的范圍不廣。同時，該專利中MFC陰極利用的是化學氧化劑，沒有充分利用含氮廢水中的電子受體，導致其在實際工程運用中會受到限制。